專利名稱：一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制氫反應(yīng)器，尤其是一種利用天然氣集成流化重整反應(yīng)和膜反應(yīng)來制氫 的反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
氫能，作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的能源，被視為本世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧?能源，也被視為解決溫室效應(yīng)、提高能量利用率的有效替代能源。
天然氣水蒸汽重整(SMR)技術(shù)是工業(yè)上較為普遍的用于生產(chǎn)氫氣及合成氣的技術(shù)，該反 應(yīng)是一個強吸熱反應(yīng)，并且?guī)缀跄苓_到平衡狀態(tài)。常用的催化劑為鎳基催化劑，典型的反應(yīng) 溫度為800-900°C，壓力2. 5-3. 5MPa。
工業(yè)上常用固定床列管式反應(yīng)器進行天然氣水蒸氣重整，通過外部加熱或部分氧化來提 供反應(yīng)所需的熱量。
由于水蒸汽重整是一個強吸熱反應(yīng)，傳熱是制約該反應(yīng)的一個瓶頸問題。傳統(tǒng)的固定床 列管式反應(yīng)器，反應(yīng)器體積龐大，且傳熱效果比較差，不適合小規(guī)模分布式氫氣生產(chǎn)的要求
膜反應(yīng)器作為一種膜分離單元與化學(xué)反應(yīng)器通過特定的方式耦合組成的單元設(shè)備，對目 標(biāo)產(chǎn)物在分離效率、選擇性和產(chǎn)率產(chǎn)生潛在的增強性能，在化工、生物、制藥等領(lǐng)域有著廣 泛的應(yīng)用。
而由于天然氣重整制氫是一個強吸熱過程，需要在高溫下進行，普通的有機膜并不能滿 足其要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)不能滿足天然氣小規(guī)模分布式制氫要求問題，提供一種自 熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，能夠節(jié)省天然氣制氫工序、不須外供熱源，反應(yīng)器體積更小、 成全更低。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)
一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，包括
反應(yīng)器主體；
設(shè)置在反應(yīng)器主體內(nèi)的氣體分布組件，用于流化重整反應(yīng)；設(shè)置在反應(yīng)器主體內(nèi)、氣體分布組件后續(xù)工序中的膜組件，用于膜反應(yīng)。
所述氣體分布組件包括固定在反應(yīng)器主體內(nèi)壁上的燒結(jié)金屬不銹鋼板。
所述膜組件包括氫氣通道和與之連通的氣體導(dǎo)出管。
所述膜組件分為上下兩層，上層下端的氣體導(dǎo)出管與下層上端的氣體導(dǎo)出管連接，下層 下端的氣體導(dǎo)出管封閉；上層上端的氣體導(dǎo)出管通過氫氣導(dǎo)出管引出反應(yīng)器主體。 所述反應(yīng)器主體內(nèi)還設(shè)置有氣管，其一端通向氣體分布組件處。 所述反應(yīng)器主體內(nèi)設(shè)置有由燒結(jié)不銹鋼管固定在不銹鋼板上構(gòu)成的尾氣過濾器。 所述反應(yīng)器主體兩端分別通過法蘭封閉，各法蘭內(nèi)側(cè)設(shè)置有保溫層。 所述膜組件安裝于所述氣管上。
所述膜組件為鈀膜組件，圍繞所述氣管呈扇形分布。
本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)，將天然氣流化重整反應(yīng)和氫氣提純的膜反應(yīng)集成在一個反應(yīng)器主 體內(nèi)，并通過向反應(yīng)器內(nèi)的氣管通入空氣或氧氣，以與天然氣發(fā)生部分氧化反應(yīng)，為重整反 應(yīng)提供熱量，反應(yīng)生成的氫氣在壓差的作用下通過膜組件進入氫氣通道、氣體導(dǎo)出管、氫氣 導(dǎo)出管引出反應(yīng)器主體，尾氣經(jīng)過過濾后與催化劑分離排出。
可見，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果
本發(fā)明采用先進的鈀膜分離方法，利用具有上述結(jié)構(gòu)的裝置，能在造氣的同時生產(chǎn)氫氣 ，省去了氫氣提純的工段，使得原有的天然氣制氫工藝得到了精簡。
本發(fā)明采用天然氣與空氣部分氧化為重整反應(yīng)提供熱量，不需要對反應(yīng)器提供外加熱源 ，極大的縮減的反應(yīng)器的體積。
本發(fā)明的設(shè)計溫度為650 °C，大大減低傳統(tǒng)的天然氣重整溫度，使得本發(fā)明可以采用普 通的不銹鋼材料，不需要昂貴的鋼耗材。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中
圖l是本發(fā)明的天然氣自熱重整流化床膜反應(yīng)器剖面圖。
圖2是本發(fā)明的膜組件布置圖。
圖中標(biāo)號l是反應(yīng)器主體，2是進料分布板，3是膜組件，4是膜支撐及氣體流通組件，5是尾 氣過濾器，6是下部盲板法蘭，7是上部盲板法蘭，8是原料進氣口， 9是空氣進氣及氫氣出氣口 ，IO是尾氣出氣口， ll是儀表接口， 12是氣體導(dǎo)出管，13是氫氣導(dǎo)出管，14是上筋板，15是下筋板 ，16是空氣進氣管，17是空氣噴嘴。
具體實施方式
如圖l， 一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器包括筒狀的反應(yīng)器主體l及設(shè)置在反應(yīng) 器主體l內(nèi)的重整反應(yīng)區(qū)、膜反應(yīng)區(qū)和自由區(qū)。
反應(yīng)器主體1的兩端分別用上部盲板法蘭7、下部盲板法蘭6封閉，每個法蘭的內(nèi)側(cè)設(shè)置 有保溫層。反應(yīng)器主體l的側(cè)壁上還分別設(shè)置有四個法蘭接口，分別是儀表接口ll、尾氣出 氣口IO、空氣進氣及氫氣出氣共用的出氣口9、原料進氣口8。各個法蘭的內(nèi)側(cè)都設(shè)置有保溫 層。上述各法蘭設(shè)置保溫層是為了滿足現(xiàn)有法蘭應(yīng)用于反應(yīng)器以適應(yīng)高溫的要求。
原料進氣口8設(shè)置于反應(yīng)器主體1的下部，高于原料進氣口8的反應(yīng)器主體1內(nèi)部設(shè)置有 進料分布板2，進料分布板2為圓形燒結(jié)多孔金屬不銹鋼板構(gòu)成，可以選用材質(zhì)為Hastelloy X、厚度為5 mm、過濾精度為0.5um的不銹鋼板制成。進料分布板2與反應(yīng)器主體1內(nèi)壁上焊接 的支撐筋板采用螺栓連接，作為重整反應(yīng)區(qū)流化床催化劑的支撐體和原料氣進氣分布裝置。
在反應(yīng)器主體l內(nèi)的膜反應(yīng)區(qū)，設(shè)置有膜支撐及氣體流通組件4，該組件為為無縫不銹鋼 管制成，管內(nèi)構(gòu)成作為空氣通道的氣管，管外作為內(nèi)置膜組件3的支撐體，在內(nèi)置的膜支撐 及氣體流通組件4的上下兩端分別有上筋板14、下筋板15作為在反應(yīng)器主體1內(nèi)的支撐附件。 空氣通道的下端伸入到下筋板15下的重整反應(yīng)區(qū)，其外壁設(shè)置有與之相通的8個不銹鋼導(dǎo)管 成環(huán)形扇射分布構(gòu)成的空氣噴嘴17 (如圖2所示)，作為底部空氣的分布口；空氣通道的上 端伸出上筋板14，并通過空氣進氣管16穿過空氣進氣及氫氣出氣口9的氣管與外界相通。
固定在膜支撐及氣體流通組件4的外壁上的膜組件為鈀膜組件，其結(jié)構(gòu)可以是如公開號 為CN101181975A的發(fā)明專利申請公布說明書所述，包括膜支撐框架、多孔金屬支撐體及鈀合 金膜，多孔金屬支撐體及鈀合金膜分別依次位于膜支撐框架的兩側(cè)，膜支撐框架與燒結(jié)金屬 支撐板之間采用焊接連接。鈀合金膜為厚度為10 50微米的鈀銀合金膜。膜支撐框架內(nèi)含被 凈化氫氣的流通通道，該通道為矩形齒狀，氣體導(dǎo)出管12出口設(shè)置在支撐框架上下端，與凈 化氫氣的通道連通。鈀膜組件在反應(yīng)器主體l內(nèi)成扇形排放，上下兩層，上層下端的氣體導(dǎo) 出管與下層上端的氣體導(dǎo)出管焊接，下層下端的氣體導(dǎo)出管堵死，上層上端氣體導(dǎo)出管在一 環(huán)形的氫氣導(dǎo)出管13上匯合再由穿過空氣進氣及氫氣出氣口9的氣管引出反應(yīng)器主體l 。膜組 件3與內(nèi)置鈀膜支撐及氣體流通組件4之間采用活連接。
反應(yīng)器主體l內(nèi)，上筋板14上方和上部盲板法蘭7之間為自由區(qū)，位于空氣進氣及氫氣出 氣口9和尾氣出氣口10之間，設(shè)置有尾氣過濾器5。尾氣過濾器5由四個燒結(jié)不銹鋼管固定在 不銹鋼板上構(gòu)成，燒結(jié)不銹鋼管可以是材質(zhì)為Hastelloy X、厚度為2 mm、過濾精度為O. 5 um的管材。
工作時，經(jīng)過預(yù)熱的天然氣中碳?xì)浠衔锖退羝ㄟ^原料進氣口8進入反應(yīng)器主體1，穿過進料分布板2進入反應(yīng)器主體1的重整反應(yīng)區(qū)，在鎳基催化劑的作用下進行重整反應(yīng)，空 氣通過空氣進氣管12、內(nèi)置鈀膜支撐及氣體流通組件4的空氣通道，由環(huán)形的空氣噴嘴17噴 出，與碳?xì)浠衔锇l(fā)生部分氧化反應(yīng)，為重整反應(yīng)提供熱量。 一系列反應(yīng)產(chǎn)生的合成氣( H2，C0，C02，CH4，H20等)中的大部分H2通過鈀(合金)膜組件滲透到鈀膜組件3內(nèi) 部的純氫氣通道，各鈀膜組件產(chǎn)生的高純度氫氣通過匯流管匯到氫氣導(dǎo)出管13，穿過反應(yīng)器 主體1上部空氣進氣及氫氣出氣口9的法蘭排出反應(yīng)器主體，經(jīng)過下游冷卻后成為高純度產(chǎn)品 氫氣。合成氣中的其余氣體在過尾氣過濾器5下實現(xiàn)和催化劑分離，從反應(yīng)器主體l上的尾氣 出氣口10被引出反應(yīng)器進入下游換熱、燃燒等單元操作，其夾帶的催化劑顆粒被尾氣過濾器 5阻擋在反應(yīng)器主體1內(nèi)部。
催化劑采用以金屬鎳為活性成分，以 -Al203為載體的顆粒狀催化劑，催化劑的顆粒直 徑在40微米-300微米之間呈正態(tài)分布，平均粒徑100微米左右。天然氣流量12Nm3/11，水碳摩 爾比控制在3.0，反應(yīng)溫度約60(fC，壓力1.5MPa，反應(yīng)所需的熱量由的反應(yīng)器尾氣燃燒產(chǎn) 生的IOOO °(]左右高溫?zé)煔庠谕夤芡饬鲃觽鳠崽峁?，在此反?yīng)條件下，氫氣的產(chǎn)率約為20 Nm3/H，純度大于99. 999%。
上述過程中，重整反應(yīng)快速達到平衡，反應(yīng)生成的氫氣在壓差的作用下通置于反應(yīng)區(qū)的 鈀膜組件上的鈀膜進入鈀膜組件內(nèi)部通過鈀膜支撐及氣體流通組件上的氫氣導(dǎo)管輸出反應(yīng)器 ，而氫氣的銳減，打破了原有的平衡，在催化劑的催化下迅速達到新的平衡，從而促進了氫 氣的生產(chǎn)。
本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征 和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述， 均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。S卩，除非特別敘述，每個特征只是一 系列等效或類似特征中的一個例子而已。
本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式
。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征 或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
權(quán)利要求
1.一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，其特征在于，包括反應(yīng)器主體；設(shè)置在反應(yīng)器主體內(nèi)的氣體分布組件，用于流化重整反應(yīng)；設(shè)置在反應(yīng)器主體內(nèi)、氣體分布組件后續(xù)工序中的膜組件，用于膜反應(yīng)。
2.如權(quán)利要求l所述一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，其特 征在于，所述氣體分布組件包括固定在反應(yīng)器主體內(nèi)壁上的燒結(jié)金屬不銹鋼板。
3.如權(quán)利要求l所述一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，其特 征在于，所述膜組件包括氫氣通道和與之連通的氣體導(dǎo)出管。
4.如權(quán)利要求3所述一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，其特 征在于，所述膜組件分為上下兩層，上層下端的氣體導(dǎo)出管與下層上端的氣體導(dǎo)出管連接， 下層下端的氣體導(dǎo)出管封閉；上層上端的氣體導(dǎo)出管通過氫氣導(dǎo)出管引出反應(yīng)器主體。
5.如權(quán)利要求1 4之一所述一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng) 器，其特征在于，所述反應(yīng)器主體內(nèi)還設(shè)置有氣管，其一端通向氣體分布組件處。
6.如權(quán)利要求5所述一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，其特 征在于，所述反應(yīng)器主體內(nèi)設(shè)置有由燒結(jié)不銹鋼管固定在不銹鋼板上構(gòu)成的尾氣過濾器。
7.如權(quán)利要求6所述一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，其特 征在于，所述反應(yīng)器主體兩端分別通過法蘭封閉，各法蘭內(nèi)側(cè)設(shè)置有保溫層。
8.如權(quán)利要求7所述一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，其特 征在于，所述膜組件安裝于所述氣管上。
9.如權(quán)利要求8所述一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，其特 征在于，所述膜組件為鈀膜組件，圍繞所述氣管呈扇形分布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天然氣自熱重整制氫流化床膜反應(yīng)器，涉及一種制氫反應(yīng)器，目的是解決現(xiàn)有技術(shù)不能滿足天然氣小規(guī)模分布式制氫要求問題，包括反應(yīng)器主體；設(shè)置在反應(yīng)器主體內(nèi)用于流化重整反應(yīng)的氣體分布組件；設(shè)置在反應(yīng)器主體內(nèi)、氣體分布組件后續(xù)工序中用于膜反應(yīng)的膜組件，其中氣體分布組件包括固定在反應(yīng)器主體內(nèi)壁上的燒結(jié)金屬不銹鋼板，膜組件分為上下兩層，上層下端的氣體導(dǎo)出管與下層上端的氣體導(dǎo)出管連接，下層下端的氣體導(dǎo)出管封閉；上層上端的氣體導(dǎo)出管通過氫氣導(dǎo)出管引出反應(yīng)器主體；所述反應(yīng)器主體內(nèi)還設(shè)置有氣管，其一端通向氣體分布組件處。
文檔編號C01B3/34GK101580228SQ20091030350
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者葉根銀, 麗 楊, 王業(yè)勤, 解東來 申請人:四川亞聯(lián)高科技股份有限公司